北斗衛星定位追蹤技術在民航運輸航班中的應用

文｜李郁 何運成

中國民航科學技術研究院

一、引言

2014 年3 月，馬航MH370 失聯在全球引發極大震動，國際民航組織（ICAO）各成員國及全球業界開啟了系統性推進航空器追蹤監控工作。ICAO明確要求航空承運人實現“正常情況下4D/15 追蹤，不正常情況下實現4D/1 追蹤”能力，并制定了航空器追蹤規范，要求航空承運人在2018 年11 月8日前實現對其海洋區域運行至少每15 分鐘通過自動報告對航空器位置進行追蹤（4D/15 追蹤）[1]。

在航空器定位追蹤技術領域，我國民航長久以來依賴于美國的GPS 系統，這對我國的民航運輸而言存在相當大的隱患。一旦GPS 關閉的歷史事件再次重演，將對我國的民航運輸安全產生重大影響。因此中國民用航空局（CAAC）一直積極推動將北斗導航系統應用于我國民航運輸飛機。2017 年7 月，民航局頒布《中國民航航空器追蹤監控體系建設實施路線圖》[2]，提出分三階段實施航空器全球追蹤，最終建成具有自主知識產權的航空器追蹤監控體系，并形成相關標準，推動以北斗為代表的國產裝備在民航的應用，積極推進自主知識產權技術和標準在國際上的應用與引領。

2019 年11 月CAAC 頒布了《中國民航北斗衛星導航系統應用實施路線圖》[3]，該路線圖結合北斗在民航現狀和使用要求，分近期、中期、遠期給出了實施計劃，提出總體目標為：中國民航大力推進北斗系統應用，積極構建以北斗為核心的GNSS技術應用體系，積極推動以星基定位、導航與授時技術為核心的新一代空中航行系統建設與運行。按照“從易到難，從便攜到機載，從監視到導航，通用運輸統籌推進”的總體實施路徑，全面提升民航安全水平、空域容量、運行效率和服務能力，進一步推動北斗全球民航應用。針對運輸航空器追蹤監控，到2021 年底，完成基于北斗定位及短報文通信的運輸航空器追蹤監控典型示范；到2025 年，全部民航運輸飛機將具備基于北斗的定位與追蹤能力，基本完成北斗星基增強（BDSBAS）的運輸航空應用；到 2035 年，將實現中國民航運輸飛機使用北斗進行自主導航。該路線圖旨在推進北斗在民用運輸航空中的應用，建立以北斗定位信息為核心的運輸航空器追蹤、監視及導航能力。

自2000 年第一顆北斗衛星升空起，截至2022年底，北斗系統已有45 顆衛星在軌提供服務。隨著北斗三號的建設完成、北斗成功組網提供全球服務[4]，我國民航全面應用北斗進行導航、通信和監視的戰略即將成為現實[5]。

二、民航領域的北斗定位追蹤技術

1. 北斗衛星導航系統

北斗系統主要由空間段、地面段和用戶段三部分組成，如圖1 所示。

圖1 北斗衛星導航系統組成

空間段是由地球靜止軌道衛星、傾斜地球同步軌道衛星和中圓地球軌道衛星組成的混合星座。地面段主要包括注入站、監測站和主控站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設施。監測站用來接收衛星發送的觀測數據，并監測衛星和衛星運行軌道；注入站負責衛星間的數據傳送；主控站管理和控制系統的運行。用戶段指北斗的接收終端，目前我國部分民用航空器經過改裝，實現了機載北斗接收終端的測試運行。

2. 短報文服務

北斗區別于其他衛星導航系統的特色功能是短報文服務，單次通信最大長度達到1000 個漢字。北斗短報文支持雙向通信，并且在通信的同時也能進行定位[6]。

北斗短報文通信過程如下（圖2）：

圖2 北斗短報文通信示意圖

1）短報文發送方將接收方ID 號和通信數據加密后通過衛星轉發入站；

2）地面系統接收到通信數據后，經解密再加密處理后加入出站廣播電文中；

3）衛星收到電文后持續廣播給用戶；

4）接收端用戶機接收出站信號，并對信號解密，完成一次通信。

使用北斗短報文服務是定位和監視航空器的手段之一。它的優勢是覆蓋范圍廣，無通信盲區，可獨立向地面系統報告航空器位置、速度和時間等信息。目前我國改裝的應用了北斗系統的運輸機，即是用了北斗短報文服務進行定位和監視。

3. 北斗定位監視技術優勢

民航定位監視技術主要有ACARS、二次雷達、ADS-B、ATG、Ka 衛星通信以及北斗短報文。表1對北斗短報文技術與其他技術的優缺點進行了對比分析。目前空管部門依然應用二次雷達和ADS-B進行監視，而航空公司對航空器的監控傳統手段為ACARS，從經濟效益、時效性等方面，北斗短報文具有很大的優勢（表1）。

表1 北斗短報文技術對比

三、北斗在民航運輸航班中的應用

傳統的航班追蹤監控系統主要基于ADS-B、ACARS、雷達等軌跡數據，主要關注飛行中環境因素對航班安全運行的影響，缺乏星基監視和基于北斗數據源的追蹤定位，并且缺乏風險動態預測等風險預警、緩解、消除的技術支持。隨著中國的北斗衛星導航系統建設的完成，應用北斗獨特的定位和短報文功能，不僅能夠滿足運輸航空器追蹤監視在空中飛行階段和地面滑行階段的性能要求，而且可以做到全球覆蓋，是當前較為可行的運輸航班自主追蹤監視手段。

通過北斗短報文與ADS-B 數據、ACARS、氣象等多源異構數據的深度融合，建設高效航班運行分析技術手段，能夠實現基于我國北斗衛星系統的航班全球跟蹤監控，滿足運輸航空對航空器位置缺失、航班復飛、應答機突變等飛行異常狀況的風險監控和風險預警要求。

2019 年12 月25 日，首架加裝北斗定位追蹤系統的國航波音737-800 客機從北京飛抵新疆喀什，在喀什平穩著陸。這是北斗衛星導航系統在中國民航運輸航空的首次應用，實現了基于北斗的運輸飛機全程定位和追蹤，對提升民航安全水平、提升民航國際競爭力和話語權意義重大[7]。

1. 北斗機載追蹤監視設備

北斗機載追蹤監視設備主要包括北斗機載天線和北斗機載收發機，具備北斗定位、北斗自動位置報告和短報文通信功能?？衫蔑w機總線信息獲取飛機航班號、燃油量、飛機姿態等關鍵信息，按照通信協議組包封裝后，通過地面部署的北斗地面數據處理系統，實現定位和短報文信息的傳輸。

中國民航頒布了用作航空器追蹤的北斗衛星導航系統機載設備的技術標準，基于技術標準要求北斗機載設備應滿足民用運輸航空器加改裝以及高電壓雷擊、強電流物理損毀，以及設備在民用運輸航空器的電磁兼容等多項要求。

目前國內已有相關公司針對北斗在民航運輸航班適航和追蹤監視，研制了高性能北斗機載天線和收發機，獲得國內北斗CTSOA 適航證書，成功應用于飛機改裝，解決了民航復雜電磁兼容環境及航空器飛行姿態下的北斗天線設計及穩定通信問題[8]。

2. 終端應用系統

終端應用系統需要充分融合的北斗短報文航班運行數據、基礎數據、航跡數據、GIS 數據等，形成統一、完整、準確的航班運行態勢，提高空中目標監視和追蹤的連續性，擴大空中目標監視和追蹤的范圍。

另一方面終端應用系統基于融合多源異構海量數據，可以實現航班運行態勢分析和運行風險預警等核心功能，挖掘運行風險因素、優化航班運行效率。典型應用包括：

1）動態油量監控，能夠解決傳統手段報文下發間隔長，無法實現航班運行監控中的低油量告警、時刻偏差、偏航等告警的時間要求。

2）備降決策推演，可以根據航班監控實際運行需求，基于航班當前初始運行態勢，對其未來可能出現的事件態勢進行預估，從而應對航班繞飛、盤旋、目的地機場惡劣天氣等異常狀況。

3）航班高風險告警識別，能夠根據風險態勢分析結果提供當前運行狀態提示，為航空器運行提供全流程態勢監控與風險告警。

4）運行風險預警，結合航班動態、飛行計劃、航行通告、氣象等數據，實現對全國高風險空域或機場的識別預警，包括盤旋等待、復飛、延誤、顛簸、偏航繞飛等異常事件，以及盤旋、復飛、顛簸、偏航等風險高發區域的預警提示。

目前國內已有相關公司研制了全球航班追蹤監控與風險預警系統[9-10]（圖3）。系統融合了國航機隊北斗定位數據源、ADS-B 實時數據、航班動態等多源異構運行數據，構建運行大數據云服務平臺，實現超過2 萬架航空器的動態追蹤與運行數據實時分析處理。此外，系統具備飛機實時跟蹤監控和風險告警功能，實現航班運行過程中的全流程異常事件動態監控與實時告警，解決了航班的全球化動態監視問題。

圖3 全球航班追蹤監控與風險預警系統

四、技術應用展望

1）可以加快推進在通航領域的應用。與商業運輸航空相比，通用航空具有飛行高度低、飛行器小、飛行速度慢的特點[11]，對設備適航審定要求低、系統建設成本低、周期短、總體投資規模小，在通航率先開展全面的基于北斗定位追蹤技術的推廣，可以在較短時間內實現全面的應用，同時還可以為北斗在運輸航空的應用示范提供有力的技術支撐。

2）可以加快推進運輸航空北斗應用。目前國內已經在國航20 架飛機上安裝了北斗定位追蹤設備，取得了較好的應用效果?；谏鲜黾夹g基礎，繼續推動新一代兼容北斗二代/三代北斗機載收發機的研制和取證工作，推動新一代北斗機載設備的驗證應用，促進北斗在運輸航空器上全面應用，實現運輸航班基于自主技術的追蹤監視。